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对低浓度有机废水中有机物进行分离和回收具有重要的经济和环保意义。溶剂气浮法是一种基于气液界面现象的新型分离技术,已被广泛应用于水中痕量有机物的分离。气助溶剂萃取法则是近年来新开发的一种分离技术,该技术结合了气泡分离技术和液液溶剂萃取技术的优点,在一套设备内实现溶剂气浮与溶剂萃取过程的集成耦合,是一种适用于分离有机物稀溶液的新型技术。本论文以废水中的乙酸丁酯(简称BA)为分离对象,对上述两种分离方法进行了基础性研究。
以溶解度参数为依据,计算得到混合溶剂中正壬烷和异辛醇的最佳配比为55.76:44.24.结合分离体系的性质和萃取实验确定了实际使用的配比为9:1。研究发现,废水中BA的浓度越大,萃取效率也就越高,当溶液为饱和溶液时,萃取效率为55％左右。实验结果表明,要获得较高的分离效率,应首先对废水中BA进行集浓。增大油/水相比及废水中含有固相物质均有利于溶剂气浮过程,实验确定选用1:50的相比。用酵母发酵液模拟溶液较好地模拟了发酵废水体系中的溶剂气浮过程,与模拟水溶液相比,发酵液体系有利于溶剂气浮过程。此外,实验也发现,溶剂气浮法也可用于废水中少量青霉素的分离回收。
采用树脂对溶剂气浮处理过的废水进行了吸附处理。实验发现,树脂能很好地分离其中较低浓度的BA,最佳吸附时间为5min左右,相比为1:50,最大效率可达到80％。树脂的洗脱可按照水洗、氨水洗、氯化钾溶液洗的顺序进行。
研究了废水乳液性质对溶剂气浮分离过程的影响。实验发现,增加气体流速可以提高溶剂气浮过程的分离效率,该过程在整个操作范围内不符合一级动力学模型；提高油水相比、溶质浓度以及盐的加入量均可以提高分离效率；表面活性剂的加入有助于BA在乳液中的溶解,进而提高分离效率；提高醇的加入量对分离效率的影响不显著。与饱和水溶液相比,模拟废水的乳液特性能够提高溶剂气浮法的分离效率。
研究发现,分离效率随着乳液液滴粒径的增加而增大,当乳液中液滴的电动势与气泡的电动势“中和”时,分离效率最高。对于本论文所研究的模拟乳液体系,采用溶剂气浮法仅能分离粒径大于500nm的乳液液滴。当处理体系为乳液且乳液液滴粒径大于500nm时,溶剂气浮法要优于溶剂萃取方法。
对溶剂气浮过程进行了热力学研究。通过测量不同BA浓度水溶液的表面张力,得到了不同温度下BA的亨利系数、饱和吸附层的厚度、饱和吸附量、极限分子面积和标准表面自由能等一系列的热力学数据。计算得到了在溶剂气浮过程中BA挥发到单气泡内部的物质的量mvapor以及BA在气泡表面的吸附量msarface,在考察温度对二者的影响时发现,在20℃～30℃变化范围内,温度的变化对表面饱和吸附量的影响并不显著,而当温度从20℃升到300℃时,挥发到气泡内部的BA量增加了将近5倍。当温度在20℃的低温时,BA在气泡表面的吸附量与挥发到气泡内部的BA的量近似相当(mvapor:msurface=1.39),随着温度的升高,二者之比逐渐增大；当温度达30℃时,挥发到气泡内部的BA量约为在气泡表面吸附的BA量的6倍,即使是在室温25℃时,mvapor与msurface之比也达到了3。结果表明,相对于挥发来讲,表面吸附不是溶剂气浮过程的主要传质方式。
对溶剂气浮过程进行了动力学研究。实验发现,对于BA饱和溶液的溶剂气浮过程来讲,其动力学可分为两个阶段:在分离的前阶段,分离速率常数随操作的进行而迅速减小,而在后一阶段则可视为一级动力学。
采用单塔型气助溶剂萃取设备,考察了气体流率、筛板的振动频率、塔径、萃取段与气浮段长度比等参数对分离过程的影响。确定了最佳工艺条件:气体流率为400mL/min、振动频率为100r/min,萃取段与气浮段长度比为11:29,有机相流率为4mL/min,水相流率为200mL/min,气浮120min。在此条件下,单塔的分离效率为38％左右。实验结果表明,在分离过程中气泡内部所夹带的BA并未完全被有机溶剂所捕收,其中一小部分挥发到了大气中。
在单塔型设备考察的基础上,新开发了一种双塔型的气助溶剂萃取设备。在有机相为正壬烷,流率为6.5mL/min,水相流率为200 mL/min,气体流率为20mL/min,振动频率为220 r/min的稳定操作条件下,萃取段BA的分离效率为23％左右,而气浮段使BA的总体分离效率提高到了60％左右.萃取段的出水中含有约0.22％的正壬烷,超过了液液萃取过程达到平衡后水相中0.12％的夹带量。而经过气浮段的分离作用后,塔底出水中正壬烷的浓度降到了2.8×10-3％。实验结果表明,气助溶剂萃取过程的分离效果要好于溶剂气浮过程,该过程能够起到提高分离效率,降低溶剂二次夹带的作用。而且,双塔型气助溶剂萃取设备的分离性能要优于单塔型气助溶剂萃取设备。
利用电导探针法采用钛粉烧结管状分布器对鼓泡塔内水-空气体系水力学进行了初步研究。结果表明,在气体流率低于0.28 m3/h时,轴向方向上气泡的平均直径呈先增长,然后维持恒定不变的趋势,钛管产生的气泡较为均匀；而当气体流率增大超过0.4m3/h后,则呈先增大后减小趋势,气泡的粒径存在一定的分布。当气体流率为0.1m3/h时,相同位置处气泡的平均直径不随水相高度的变化而变化；当气体流率为0.8 m3/h时,在近钛管处,气泡的平均直径小随水相高度的变化而变化:而在距离钛管较远处,随着水相高度的增加,气泡的平均直径呈先增加后不变的变化趋势。